JP4418040B2 - 磁気センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気インピーダンス効果素子（以下、ＭＩ素子と略称する）を使用した磁気センサに係り、特に第１のＭＩ素子と第２のＭＩ素子を互いに平行に配置して、その第１のＭＩ素子と第２のＭＩ素子にバイアス磁界を印加する励磁コイルを備えた磁気センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
磁気インピーダンス効果（以下、ＭＩ効果と略称する）は、高透磁率を有する磁性体に高周波電流を流した際の表皮効果により、その磁性体のインピーダンスが外部磁界によって変化する現象である。
【０００３】
図５はこのＭＩ効果を利用したＭＩ素子の原理図で、例えばアモルファスワイヤなどからなる高透磁率の線状磁性体１００に励磁コイル１０１を巻回して直列に接続し、これにパルス発振器１０２から発生したパルス列電流を流す。すると線状磁性体１００の両端部に接続されている端子１０３，１０３間のパルス電圧は外部磁界Ｈｅｘによって変化するから、前記電圧を測定することにより外部磁界Ｈｅｘを検出することができ、この原理を例えば磁気センサなどに適用できる。
【０００４】
ところで線状磁性体１００を用いるとＭＩ効果は一般に外部磁界Ｈｅｘに対して対称の特性を有するから、磁気センサなどに適用する場合には直流バイアス磁界を印加する必要があり、そのために励磁コイル１０１が用いられる。この励磁コイル１０１に流すコイル電流が線状磁性体１００に流すワイヤ電流に対して左回りの場合と右回りの場合とでは互いに非対称のＭＩ効果として現れて（図６参照）、磁気センサへの適用が可能となる。
【０００５】
なお図６は非対称ＭＩ素子を説明するための図で、外部磁界とワイヤ両端パルス電圧との関係を示し、図中の曲線は線状磁性体１００に流すワイヤ電流に対して励磁コイル１０１に流すコイル電流を左回りにした場合と右回りにした場合の特性曲線である。
【０００６】
図７は、従来の非対称ＭＩ素子の駆動回路図である。同図に示すように第１の線状磁性体１００ａと第２の線状磁性体１００ｂが互いに平行に配置され、第１の線状磁性体１００ａに対して直流バイアス磁界付加用の第１の励磁コイル１０１ａが巻回され、第２の線状磁性体１００ｂに対して第２の励磁コイル１０１ｂが巻回されている。第１の励磁コイル１０１ａと第２の励磁コイル１０１ｂに流すコイル電流の方向は、線状磁性体１００に流すワイヤ電流に対して一方が左回り、他方が右回りになるように、図に示すようにコイルの巻き方が互いに逆になっている。このように線状磁性体１００を複数本（この例ては２本）使用することにより、センサとしての感度の向上と温度特性の向上を図ることができる。
【０００７】
図中の１０５はクロック発生器、１０６はクロック発生器１０５からのクロック信号に基づいて前記第１の線状磁性体１００ａと第２の線状磁性体１００ｂに対してそれぞれパルス電流を流す素子駆動回路、１０７は第１の線状磁性体１００ａと第２の線状磁性体１００ｂのそれぞれの端子出力をオペアンプ１０８により差動増幅して外部磁界Ｈｅｘに対して線形な出力を得るための検出回路である。
【０００８】
図８は前記線状磁性体１００ａ，１００ｂと励磁コイル１０１ａ，１０１ｂの配置状態を示す図で、同図に示すように第１の線状磁性体１００ａに第１の励磁コイル１０１ａを数十ターン巻回し、第２の線状磁性体１００ｂに第２の励磁コイル１０１ｂを数十ターン巻回して、両方の線状磁性体１００ａ，１００ｂを互いに平行に配置していた。図中の矢印Ｘ１，Ｘ２は線状磁性体１００ａ，１００ｂに流す電流方向、矢印Ｙ１，Ｙ２はバイアス磁界の方向である。
【０００９】
なおこれらの関連技術として、例えば応用磁気学会誌Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．４−２，１９９７「アモルファスワイヤの非対称磁気−インピーダンス効果」、特開平７−１８１２３９号公報、特開平７−２４８３６５号公報などがある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところでこの従来の駆動回路は、２本の励磁コイル１０１ａ，１０１ｂを使用しており、両方の特性を揃えるための調整が面倒であった。また各線状磁性体１００ａ，１０１ｂにそれぞれ励磁コイル１０１ａ，１０１ｂを巻回し、それを互いに平行に配置していたため、ＭＩ素子自体が大きくなり、小型化、軽量化の障害になるなどの欠点を有していた。
【００１１】
本発明の目的は、このような従来技術の欠点を解消し、励磁コイルの特性の調整が不要で、しかも小型化、軽量化が可能な磁気センサを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明は、例えば線状磁性体などからなる複数のＭＩ素子と、これら複数のＭＩ素子にバイアス磁界を印加する１つの励磁コイルと、その励磁コイルに通電する電流の向きを交互に反転するコイル駆動回路と、そのコイル駆動回路と同期して前記複数のＭＩ素子を順次駆動する素子駆動回路と、前記複数のＭＩ素子のそれぞれの両端パルス電圧を検出する検出回路を備えていることを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
前記第１の本発明は前述のような構成になっており、ＭＩ素子にバイアス磁界を印加する励磁コイルが１つで済むから、従来のように複数の励磁コイル間の特性調整が不要になり、組み立て作業が容易になる。また、励磁コイルが１つであるから小型化、軽量化が可能になる。
【００１５】
前記第２の本発明は前述のような構成になっており、第１の発明に加えてＭＩ素子も１つで済むから、さらに小型化、軽量化が図れコストも安価になる。
【００１６】
次に本発明の実施の形態を図とともに説明する。図１は実施の形態に係るＭＩ素子の構成図、図２はそのＭＩ素子の第１の実施の形態に係る駆動回路図、図３はその駆動回路のタイミングチャートである。
【００１７】
図１に示すように第１の線状磁性体１ａと第２の線状磁性体１ｂが互いに平行に配置され、この線状磁性体１としては例えばＦｅ−Ｃｏ−Ｓｉ−Ｂ系の合金組成からなる零磁歪アモルファスワイヤが好適である。この線状磁性体１ａ，１ｂに対して直流バイアス磁界印加用の１本の励磁コイル２が数十ターン一定の方向に巻回されている。従って第１の線状磁性体１ａと第２の線状磁性体１ｂは、励磁コイル２の芯部に配置されることになる。
【００１８】
図２において３はクロック発生器、４は分周器、５はアンドゲート、６ａはパルス列電流を前記第１の線状磁性体１ａへ流す第１の素子駆動回路、６ｂはパルス列電流を前記第２の線状磁性体１ｂへ流す第２の素子駆動回路である。この素子駆動回路６は電流値が１０ｍＡ以上に設定された電流出力型のもので、また素子駆動回路６はデジタル回路のゲートに少なくとも線状磁性体１のインピーダンスの１０倍以上の抵抗Ｒを接続している。
【００１９】
７は前記励磁コイル２への通電をオンオフ制御するスイッチング素子を備えたコイル駆動回路で、励磁コイル２によって発生するバイアス磁界の向きが周期的に反転するように構成されている。（図１の矢印Ｙ１，Ｙ２参照）
８は検出回路で、第１の平滑部９ａと、第２の平滑部９ｂと、両方の平滑部９ａ，９ｂの出力信号を入力して差動増幅するオペアンプ１０を有している。
【００２０】
図３はこの非対称ＭＩ素子駆動回路図の各部のタイミングチャートで、図中のＣＫ２とＣＫ４で励磁コイル２によって発生するバイアス磁界の向きが周期的に反転するようになっている。またこのコイル駆動と同期して、ＭＩ駆動波形１，２により第１の線状磁性体１ａと第２の線状磁性体１ｂが順次駆動される。
【００２１】
図４は本発明の第２の実施の形態に係る駆動回路図で、図２に示す駆動回路と相違する点はコイル駆動回路７に双極アナログスイッチ素子を用いた点で、回路構成の簡略化が図れる。
【００２２】
前記の実施の形態では第１の線状磁性体１ａと第２の線状磁性体１ｂを共に平行に配置したが、両者を例えば直角など定まった角度に配置することもできる。また前記の実施の形態では線状磁性体を２本用いたが、３本以上の複数本でも構わない。
【００２３】
前記の実施の形態では複数のＭＩ素子を用いたが、１つのＭＩ素子と、そのＭＩ素子にバイアス磁界を印加する１つの励磁コイルと、その励磁コイルに通電する電流の向きを交互に反転する１つのコイル駆動回路と、そのコイル駆動回路と同期して前記ＭＩ素子を駆動する素子駆動回路と、前記コイル駆動回路と同期して、反転毎の前記ＭＩ素子の両端パルス電圧を検出する検出回路を備えることもできる。
【００２４】
本発明のＭＩ素子駆動回路は、例えば磁界の強さ、向き、分布などを検出、測定する磁気センサや磁気方位センサなどの駆動回路に適用することができる。
【００２５】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明は前述のような構成になっており、ＭＩ素子にバイアス磁界を印加する励磁コイルが１つで済むから、従来のように複数の励磁コイル間の特性調整が不要になり、組み立て作業が容易になる。また、励磁コイルが１つであるから小型化、軽量化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る磁気インピーダンス効果素子の構成図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る磁気インピーダンス効果素子の駆動回路図である。
【図３】その駆動回路のタイミングチャートである。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る磁気インピーダンス効果素子の駆動回路図である。
【図５】磁気インピーダンス効果素子の原理図である。
【図６】非対称磁気インピーダンス効果素子を説明するため外部磁界とワイヤ両端パルス電圧との関係を示す特性図である。
【図７】従来の磁気インピーダンス効果素子の駆動回路図である。
【図８】従来の磁気インピーダンス効果素子の構成図である。
【符号の説明】
１ａ 第１の線状磁性体
１ｂ 第２の線状磁性体
２ 励磁コイル
３ クロック発生器
４ 分周器
５ アンドゲート
６ａ 第１の素子駆動回路
６ｂ 第２の素子駆動回路
７ コイル駆動回路
８ 検出回路
９ａ 第１の平滑部
９ｂ 第２の平滑部
１０ オペアンプ
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気インピーダンス効果素子（以下、ＭＩ素子と略称する）を使用した磁気センサに係り、特に第１のＭＩ素子と第２のＭＩ素子を互いに平行に配置して、その第１のＭＩ素子と第２のＭＩ素子にバイアス磁界を印加する励磁コイルを備えた磁気センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
磁気インピーダンス効果（以下、ＭＩ効果と略称する）は、高透磁率を有する磁性体に高周波電流を流した際の表皮効果により、その磁性体のインピーダンスが外部磁界によって変化する現象である。
【０００３】
図５はこのＭＩ効果を利用したＭＩ素子の原理図で、例えばアモルファスワイヤなどからなる高透磁率の線状磁性体１００に励磁コイル１０１を巻回して直列に接続し、これにパルス発振器１０２から発生したパルス列電流を流す。すると線状磁性体１００の両端部に接続されている端子１０３，１０３間のパルス電圧は外部磁界Ｈｅｘによって変化するから、前記電圧を測定することにより外部磁界Ｈｅｘを検出することができ、この原理を例えば磁気センサなどに適用できる。
【０００４】
ところで線状磁性体１００を用いるとＭＩ効果は一般に外部磁界Ｈｅｘに対して対称の特性を有するから、磁気センサなどに適用する場合には直流バイアス磁界を印加する必要があり、そのために励磁コイル１０１が用いられる。この励磁コイル１０１に流すコイル電流が線状磁性体１００に流すワイヤ電流に対して左回りの場合と右回りの場合とでは互いに非対称のＭＩ効果として現れて（図６参照）、磁気センサへの適用が可能となる。
【０００５】
なお図６は非対称ＭＩ素子を説明するための図で、外部磁界とワイヤ両端パルス電圧との関係を示し、図中の曲線は線状磁性体１００に流すワイヤ電流に対して励磁コイル１０１に流すコイル電流を左回りにした場合と右回りにした場合の特性曲線である。
【０００６】
図７は、従来の非対称ＭＩ素子の駆動回路図である。同図に示すように第１の線状磁性体１００ａと第２の線状磁性体１００ｂが互いに平行に配置され、第１の線状磁性体１００ａに対して直流バイアス磁界付加用の第１の励磁コイル１０１ａが巻回され、第２の線状磁性体１００ｂに対して第２の励磁コイル１０１ｂが巻回されている。第１の励磁コイル１０１ａと第２の励磁コイル１０１ｂに流すコイル電流の方向は、線状磁性体１００に流すワイヤ電流に対して一方が左回り、他方が右回りになるように、図に示すようにコイルの巻き方が互いに逆になっている。このように線状磁性体１００を複数本（この例ては２本）使用することにより、センサとしての感度の向上と温度特性の向上を図ることができる。
【０００７】
図中の１０５はクロック発生器、１０６はクロック発生器１０５からのクロック信号に基づいて前記第１の線状磁性体１００ａと第２の線状磁性体１００ｂに対してそれぞれパルス電流を流す素子駆動回路、１０７は第１の線状磁性体１００ａと第２の線状磁性体１００ｂのそれぞれの端子出力をオペアンプ１０８により差動増幅して外部磁界Ｈｅｘに対して線形な出力を得るための検出回路である。
【０００８】
図８は前記線状磁性体１００ａ，１００ｂと励磁コイル１０１ａ，１０１ｂの配置状態を示す図で、同図に示すように第１の線状磁性体１００ａに第１の励磁コイル１０１ａを数十ターン巻回し、第２の線状磁性体１００ｂに第２の励磁コイル１０１ｂを数十ターン巻回して、両方の線状磁性体１００ａ，１００ｂを互いに平行に配置していた。図中の矢印Ｘ１，Ｘ２は線状磁性体１００ａ，１００ｂに流す電流方向、矢印Ｙ１，Ｙ２はバイアス磁界の方向である。
【０００９】
なおこれらの関連技術として、例えば応用磁気学会誌Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．４−２，１９９７「アモルファスワイヤの非対称磁気−インピーダンス効果」、特開平７−１８１２３９号公報、特開平７−２４８３６５号公報などがある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところでこの従来の駆動回路は、２本の励磁コイル１０１ａ，１０１ｂを使用しており、両方の特性を揃えるための調整が面倒であった。また各線状磁性体１００ａ，１０１ｂにそれぞれ励磁コイル１０１ａ，１０１ｂを巻回し、それを互いに平行に配置していたため、ＭＩ素子自体が大きくなり、小型化、軽量化の障害になるなどの欠点を有していた。
【００１１】
本発明の目的は、このような従来技術の欠点を解消し、励磁コイルの特性の調整が不要で、しかも小型化、軽量化が可能な磁気センサを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明は、例えば線状磁性体などからなる複数のＭＩ素子と、これら複数のＭＩ素子にバイアス磁界を印加する１つの励磁コイルと、その励磁コイルに通電する電流の向きを交互に反転するコイル駆動回路と、そのコイル駆動回路と同期して前記複数のＭＩ素子を順次駆動する素子駆動回路と、前記複数のＭＩ素子のそれぞれの両端パルス電圧を検出する検出回路を備えていることを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
前記第１の本発明は前述のような構成になっており、ＭＩ素子にバイアス磁界を印加する励磁コイルが１つで済むから、従来のように複数の励磁コイル間の特性調整が不要になり、組み立て作業が容易になる。また、励磁コイルが１つであるから小型化、軽量化が可能になる。
【００１５】
前記第２の本発明は前述のような構成になっており、第１の発明に加えてＭＩ素子も１つで済むから、さらに小型化、軽量化が図れコストも安価になる。
【００１６】
次に本発明の実施の形態を図とともに説明する。図１は実施の形態に係るＭＩ素子の構成図、図２はそのＭＩ素子の第１の実施の形態に係る駆動回路図、図３はその駆動回路のタイミングチャートである。
【００１７】
図１に示すように第１の線状磁性体１ａと第２の線状磁性体１ｂが互いに平行に配置され、この線状磁性体１としては例えばＦｅ−Ｃｏ−Ｓｉ−Ｂ系の合金組成からなる零磁歪アモルファスワイヤが好適である。この線状磁性体１ａ，１ｂに対して直流バイアス磁界印加用の１本の励磁コイル２が数十ターン一定の方向に巻回されている。従って第１の線状磁性体１ａと第２の線状磁性体１ｂは、励磁コイル２の芯部に配置されることになる。
【００１８】
図２において３はクロック発生器、４は分周器、５はアンドゲート、６ａはパルス列電流を前記第１の線状磁性体１ａへ流す第１の素子駆動回路、６ｂはパルス列電流を前記第２の線状磁性体１ｂへ流す第２の素子駆動回路である。この素子駆動回路６は電流値が１０ｍＡ以上に設定された電流出力型のもので、また素子駆動回路６はデジタル回路のゲートに少なくとも線状磁性体１のインピーダンスの１０倍以上の抵抗Ｒを接続している。
【００１９】
７は前記励磁コイル２への通電をオンオフ制御するスイッチング素子を備えたコイル駆動回路で、励磁コイル２によって発生するバイアス磁界の向きが周期的に反転するように構成されている。（図１の矢印Ｙ１，Ｙ２参照）
８は検出回路で、第１の平滑部９ａと、第２の平滑部９ｂと、両方の平滑部９ａ，９ｂの出力信号を入力して差動増幅するオペアンプ１０を有している。
【００２０】
図３はこの非対称ＭＩ素子駆動回路図の各部のタイミングチャートで、図中のＣＫ２とＣＫ４で励磁コイル２によって発生するバイアス磁界の向きが周期的に反転するようになっている。またこのコイル駆動と同期して、ＭＩ駆動波形１，２により第１の線状磁性体１ａと第２の線状磁性体１ｂが順次駆動される。
【００２１】
図４は本発明の第２の実施の形態に係る駆動回路図で、図２に示す駆動回路と相違する点はコイル駆動回路７に双極アナログスイッチ素子を用いた点で、回路構成の簡略化が図れる。
【００２２】
前記の実施の形態では第１の線状磁性体１ａと第２の線状磁性体１ｂを共に平行に配置したが、両者を例えば直角など定まった角度に配置することもできる。また前記の実施の形態では線状磁性体を２本用いたが、３本以上の複数本でも構わない。
【００２３】
前記の実施の形態では複数のＭＩ素子を用いたが、１つのＭＩ素子と、そのＭＩ素子にバイアス磁界を印加する１つの励磁コイルと、その励磁コイルに通電する電流の向きを交互に反転する１つのコイル駆動回路と、そのコイル駆動回路と同期して前記ＭＩ素子を駆動する素子駆動回路と、前記コイル駆動回路と同期して、反転毎の前記ＭＩ素子の両端パルス電圧を検出する検出回路を備えることもできる。
【００２４】
本発明のＭＩ素子駆動回路は、例えば磁界の強さ、向き、分布などを検出、測定する磁気センサや磁気方位センサなどの駆動回路に適用することができる。
【００２５】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明は前述のような構成になっており、ＭＩ素子にバイアス磁界を印加する励磁コイルが１つで済むから、従来のように複数の励磁コイル間の特性調整が不要になり、組み立て作業が容易になる。また、励磁コイルが１つであるから小型化、軽量化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る磁気インピーダンス効果素子の構成図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る磁気インピーダンス効果素子の駆動回路図である。
【図３】その駆動回路のタイミングチャートである。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る磁気インピーダンス効果素子の駆動回路図である。
【図５】磁気インピーダンス効果素子の原理図である。
【図６】非対称磁気インピーダンス効果素子を説明するため外部磁界とワイヤ両端パルス電圧との関係を示す特性図である。
【図７】従来の磁気インピーダンス効果素子の駆動回路図である。
【図８】従来の磁気インピーダンス効果素子の構成図である。
【符号の説明】
１ａ 第１の線状磁性体
１ｂ 第２の線状磁性体
２ 励磁コイル
３ クロック発生器
４ 分周器
５ アンドゲート
６ａ 第１の素子駆動回路
６ｂ 第２の素子駆動回路
７ コイル駆動回路
８ 検出回路
９ａ 第１の平滑部
９ｂ 第２の平滑部
１０ オペアンプ
Claims (4)
- 複数の磁気インピーダンス効果素子と、
これら複数の磁気インピーダンス効果素子にバイアス磁界を印加する１つの励磁コイルと、
その励磁コイルに通電する電流の向きを交互に反転するコイル駆動回路と、
そのコイル駆動回路と同期して前記複数の磁気インピーダンス効果素子を順次駆動する素子駆動回路と、
前記複数の磁気インピーダンス効果素子のそれぞれの両端パルス電圧を検出する検出回路を備えていることを特徴とする磁気センサ。 - 請求項１記載において、前記励磁コイルが互いに平行に配置されていることを特徴とする磁気センサ。
- 請求項２記載において、前記励磁コイルの芯部に前記複数の磁気インピーダンス効果素子が配置されていることを特徴とする磁気センサ。
- 請求項１ないし３のいずれか１項記載において、前記磁気インピーダンス効果素子がアモルファスワイヤであることを特徴とする磁気センサ。
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